以外供液氮替代膨胀机的深度冷冻循环

以外供液氮替代膨胀机的深度冷冻循环 崔仁鲜 中国纺织工业院二室动力组，北京市甘家口增光路21号 100037 【摘要】介绍空分制氮装置采用膨胀机循环与液氮循环的两种工艺及能量平衡，示出了两种循环的实例比较。指出外供液氮可以作为冷源替代膨胀机，且单耗低、操作更方便，设备维护量更小、氮气提取率更高。   关键词：空分制氮装置；深度冷冻循环；冷源；膨胀机；液氮；节能 中国分类号：TQ116.15  文献标识码：A Cryogenic refrigeration cycle using liquid nitrogen from external source instead of an expander Cui Ren-xian (Power Section of 2nd Department,China Textile Industrial Engineering Institute,21 Zeng Guang Road,Gan Jia Kuo,Beijing 100037) Abstract:Using an expander cycle and using liquid nitrogen cycle separtely for a nitrogen plant using air separation process and their energy balance art described.A comparison between two examples using separate cycles mentioned above is illustrated.The paper points out that it is feasible to use lipuid nitrogen from external source as cold source instead of an expander.As a result,low power consumption,easier operation,less maintenance,higher nitrogen recovery ratio can be available. Keywords:Nitrogen plant using air separation process;Cryogenic refrigeration cycle;Cold source;Expander;Liquidnitrogen;Energy-savingp; 1 前言 目前，在空气分离制氮行业里普遍采用的是以膨胀机等熵膨胀和气体节流为基础的深度冷冻循环（以下简称膨胀机循环），本文要介绍的是外供液氮替代膨胀机的深度冷冻循环（以下简称液氮牡环）。 为了能够更全面地介绍液氮循环，本文将先介绍膨胀机循环的工艺流程，并以能量守恒原理引出膨胀机在膨胀循环中的作用，然后以对照的方式介绍液氮循环的的工艺流程及液氮在液氮循环中的作用。最后用工程应用实例来比较两种循环的空分制氮装置。 2 膨胀机循环 2.1 膨胀机循环的工艺流程 空气经过滤器过滤后进空压机等温压缩,然后进预冷器冷却并排出冷凝水(此时的空气温度约10℃)。压缩冷却后的空气再经分子筛吸附器除去二氧化碳、水分和其他杂质（即净化），然后经换热器与产品氮气和污氮换热进入精馏塔，被分离成产品氮气和富氧液空。富氧液空经节流阀降温降压后进入冷凝蒸发器蒸发成为污氮，污氮再经膨胀机降温降压后进入换热器与压缩空气换热并最终排入大气(其中一部分污氮作为分子筛吸附器的再生氮使用)。有少量液氮作为产品液氮送到液氮贮罐储存。     膨胀机循环的工艺流程见图1。 2.2 膨胀机循环的能量平衡     由物料平衡可得(不计切换损失及泄漏损失)         式(3)中等号左边为系统的全部冷损失，即系统跑冷损失、换热器不完全热交换损失以及液氮所带走的冷量；等号右边为系统提供的冷量，即膨胀机产生的冷量和压缩空气等温节流效应产生的冷量(严格地讲预冷器也是冷源的一部分，这里忽略不计)。膨胀机是系统中提供冷量的主要部分。 3 液氮循环 3．1 液氮循环的工艺流程     液氮循环中压缩空气进精馏塔以前的工艺流程与膨胀机循环是一样的。区别就在于系统中没有膨胀机而是将液氮从外边输入到精馏塔里(液氮从液氮贮罐供)。液氮在精馏塔里作为回流液的补充液(设备刚启动时主要是降温用)。     液氮循环的工艺流程见图2。 3．2 液氮循环的能量平衡 由物料平衡可得(不计切换损失及泄漏损失)         式（6）中等号左边为系统的全部冷损失，即系统跑冷损失、换热器不完全交换的冷损失；等号右边为系统提拱的冷量，即液氮提拱的冷量和压缩空气等温节流效应产生的冷量(严格地讲预冷器也是冷源的一部分，这里忽略不计)。上述结果说明，液氮是系统中提供冷量的主要部分。 4 两种循环的工程应用实例比较     常州华源蕾迪斯有限公司先后从意大利SIAD公司引进了两套空分制氮装置，其中一期引进的是膨胀机循环装置而二期引进的是液氮循环装置。一期装置中产品液氮作为副产品先存到液氮贮罐，当事故状态或短时间内产品氮气不够用时，液氮汽化以后送人车间使用。这部分液氮作为冷源供二期的空分制氮装置使用。1是两套空分制氮装置各项性能指标的对照表。         表1 两套空分制氮装置的各项性能指标 比较项目 膨胀机循环 液氮循环 压缩空气消耗量／(m3/h) 4200 2400 氮气产量／(m3/h) 1000 1000 液氮产量／(L／h) 110 - 液氮消耗量／(L／h) (核算为相应的耗电量)kW - - 47 16.5 装置氮气提取率／％ 25.5 41.7 空压机耗电量／kW 500 250 预冷器耗电量／kW 21 13.5 冷冻水循环泵耗电量/kW 2.5 1.5 分子筛吸附器耗电量 (电加热器的耗电量)／kW  64 26 透平膨胀机耗电量 (油泵的耗电量)／kW 3 - 总耗电量/kW 590.5 307.5 装置单耗／(kWh／m3) 0.55 0.30     表1中计算液氮循环的装置单耗时液氮的消耗 量被核算为相应的耗电量。从表1中可以看出导致 液氮循环比膨胀机循环单耗低的原因是压缩空气消 耗量比膨胀机循环少，即液氮循环的氮气提取率比 膨胀机循环高。其中的原因有二：其一是在液氮循 环中液氮是主要冷源，所以污氮的循环量没有膨胀 机循环多；其二是液氮循环外供液氮的加入增大了 回流液，即增大了回流比，有利于精馏。     此外，在膨胀机循环中产品氮气量和纯度是由 进膨胀机的污氮量来控制的，而在液氮循环中是由 进精馏塔的液氮量来控制的，显然液氮循环的控制 更快捷、更方便。 5 结论     (1)由两种循环的能量平衡中可以看出，当外 部有稳定的液氮来源时，液氮可以作为冷源来代替 膨胀机。     (2)液氮循环所需要的设备比膨胀机循环少， 即液氮循环的设备初投资及设备维护量小。     (3)液氮循环的工艺流程更简单、操作更容 易，即设备的可靠性更高。     (4)液氮循环的空分装置比膨胀机循环的空分 装置氮气提取率高，即节能。 参考文献： [1] 化工第四设计院主编．深冷手册，下册，北京：燃料化学工业 出版社，1973． [2] 杨玉成.膨胀机设置与否的制氮设备简介.深冷技术,2001(3):17~19.